Metamateriaal tart natuurwetten door reciprociteit te schenden

Natuurkundigen hebben een rubberachtig materiaal gemaakt dat zich niet volgens de natuurwetten gedraagt. Het zogeheten metamateriaal laat beweging in slechts één richting door. Deze uitvinding kan leiden tot nieuwe schokdempende materialen.

Het nieuwe materiaal schendt het principe van reciprociteit. Dit begrip wordt in meerdere wetenschappen gebruikt en heeft te maken met wederkerigheid. In de biologie betekent het bijvoorbeeld dat een organisme bereid is een ander organisme een dienst te verlenen, mits daar een wederdienst aan gekoppeld is. Je bent bereid op Valentijnsdag een cadeau voor je partner te kopen, als je weet (of hoopt) dat je ook een cadeau zult terugkrijgen.

metamateriaal-reciprociteit-leiden
Door de platte, rubberen gaatjesstructuur laat het metamateriaal beweging slechts in één richting door.

In de natuurkunde heeft reciprociteit te maken met de overdracht van energie in een materiaal. Als je een signaal – bijvoorbeeld in de vorm van licht, geluid of beweging – in een natuurlijk materiaal van de ene naar de andere kant stuurt, wordt het op dezelfde manier overgedragen als wanneer het de omgekeerde weg aflegt. Een voorbeeld: als je een lichtsignaal van punt A naar punt B stuurt en eenzelfde signaal van B naar A, dan zie je bij B hetzelfde als bij A. En als je bij B niets ziet omdat het signaal onderweg is uitgedoofd, zul je bij A ook niets zien.

Statisch

Deze reciprociteit kun je alleen breken door een zogeheten metamateriaal te maken: een materiaal dat zich fundamenteel anders gedraagt dan natuurlijke materialen. Eerder hadden onderzoekers dat al gedaan door veranderende elektrische of magnetische velden aan materialen toe te voegen.

Dat waren echter allemaal dynamische materialen. Natuurkundigen hebben nu voor het eerst een statisch materiaal gemaakt dat zich niet aan het reciprociteitsprincipe houdt. De natuurkundigen, werkzaam bij fundamenteel-onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam, de Universiteit Leiden en de universiteit van Texas, publiceerden het resultaat in het gerenommeerde vakblad Nature.

Zachte robotica

Het rubberachtige materiaal verspreidt beweging in de ene richting, maar blokkeert het in de andere richting. Als je het aan de ene kant indrukt, gaat het hele materiaal bewegen. Druk je het aan de andere kant met evenveel kracht in, dan beperkt de beweging zich tot de directe omgeving van het drukpunt. Dat terwijl het materiaal overal dezelfde structuur heeft.

Leestip: Snaren, spiegels en plakband, 70 jaar Nederlandse natuurkunde. €19,95. Bestel het boek in onze webshop.

‘Ons metamateriaal gedraagt zich bijzonder dankzij zijn vorm: een platte, rubberen structuur met gaatjes in een zorgvuldig uitgekozen patroon’, zegt Corentin Coulais van AMOLF en de Universiteit Leiden. ‘Ieder onderdeel in het ontwerp leunt enigszins naar rechts.’

Mede-onderzoeker Andrea Alù van de universiteit van Texas kijkt ernaar uit om het metamateriaal geschikt te maken voor mogelijke toepassingen. ‘Ons onderzoek maakt het mogelijk schokken te blokkeren of juist te verspreiden, afhankelijk van waar de beweging vandaan komt. Dit kan goed van pas komen in bijvoorbeeld zachte robotica, prothesen of bij het opwekken van energie.’

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder:

Over de auteur

Yannick Fritschy

Yannick Fritschy is wetenschapsjournalist en redacteur bij New Scientist. Hij schrijft over alle wetenschappen, met een voorliefde voor sterrenkunde en taal. Daarnaast zit sport in zijn DNA. In zijn vrije tijd doet Yannick veel aan voetbal en hardlopen.



Plaats een reactie